Endomisio Mitocondri Miofibrilla Cellula satellite Sarcoplasma Perimisio Fibra muscolare Nucleo Fibra muscolare Endomisio Epimisio Fascio muscolare Vasi sanguigni Epimisio Fibre muscolari Ventre muscolare Endomisio Tendine Ulna Perimisio Figura 10.1 - Organizzazione dei muscoli scheletrici. Un muscolo scheletrico è composto da fasci di fibre muscolari racchiusi dall epimisio. I fasci sono separati dalle fibre connettivali del perimisio, e all interno di ciascun fascio muscolare, ogni fibra è circondata dall endomisio. Ciascuna fibra muscolare possiede numerosi nuclei. Il citoplasma contiene mitocondri ed altri organuli mostrati in questa figura e nella Figura
Nervo Fibre muscolari striate scheletriche Assoni Giunzioni neuromuscolari Figura 10.2 - Innervazione del muscolo scheletrico. Sono visibili numerose giunzioni neuromuscolari (MO, x160). Figura 10.3 - Rete capillare del muscolo scheletrico. Capillari sanguigni disposti lungo l asse di una fibra muscolare scheletrica. È evidente la tortuosità dei capillari che consente l adattamento alla contrazione e alla distensione del muscolo. (MES, x151)
Cellula satellite Mioblasti Fibra muscolare immatura Le fibre muscolari si sviluppano attraverso la funzione di cellule mesodermiche chiamate mioblasti Fibra muscolare Nucleo Mitocondri Miofibrilla Actina (filamento sottile) Miosina (filamento spesso) Cisterne Reticolo sarcoplasmatico Tubuli a T Figura 10.4 - Organizzazione del tessuto muscolare.
Sarcomero Miofibrilla Zona di sovrapposizione (a) (a) Linea Z Filamento sottile Linea M Filamento spesso (b) Figura 10.5 - Struttura del sarcomero. Ciascuna miofibrilla è formata da una serie lineare di sarcomeri. (a) Organizzazione dei filamenti spessi e sottili. (b) Sezione trasversa a livello della zona di sovrapposizione. Linea Z FILAMENTO SOTTILE Tropomiosina Troponina (a) Molecola di actina Sito attivo Sarcomero Linea Z Linea M FILAMENTI SPESSI Linea M Figura 10.6 - Filamenti sottili e spessi. Coda di miosina MOLECOLA DI MIOSINA (b) Testa di miosina
Tubulo trasverso Reticolo sarcoplasmatico Triade Cisterne terminali SARCOPLASMA Pompa ionica del calcio Canale del calcio a cancellata (chiuso) Figura 10.7 - Reticolo sarcoplasmatico e tubuli trasversi.
Banda I Banda A Actina (filamento sottile) Miosina (filamento spesso) Linea di sovrapposizione Banda H DISTACCO Linea M Linea Z Linea Z Linea M ATTACCO FLESSIONE (SPOSTAMENTO) RITORNO Figura 10.8 - Modificazioni nella struttura del sarcomero durante la contrazione di una fibra muscolare scheletrica. Durante la contrazione la banda A non si modifica, mentre le linee Z si avvicinano e la banda I diventa più piccola. Figura 10.9 - La teoria dello scivolamento dei filamenti. Durante la contrazione si formano dei legami crociati tra le teste delle molecole di miosina dei filamenti spessi e siti specifici sui filamenti sottili di actina. La flessione della testa consente lo slittamento dei filamenti sottili verso il centro del sarcomero. Cicli ripetuti di attacco, flessione e distacco spostano le linee Z verso le parti terminali dei filamenti spessi.
RETICOLO SARCOPLASMATICO Canali del calcio aperti Miosina (spessa) Tropomiosina Actina (sottile) Sito attivo Troponina (a) (b) (c) Figura 10.10 - Gli eventi molecolari che danno inizio alle interazioni tra i miofilamenti. (a) In un sarcomero a riposo le molecole di tropomiosina sono dislocate sui siti attivi dei filamenti sottili, e, mascherandoli, impediscono il legame con la miosina. (b) Quando gli ioni calcio raggiungono il sarcomero, si legano alla troponina, la quale, a sua volta, ruota spostando la tropomiosina ed esponendo i siti attivi. (c) A questo punto possono avvenire i legami crociati tra i miofilamenti, e la successiva contrazione.
Figura 10.11 - Gli eventi molecolari del processo di contrazione. Testa di miosina Troponina Tropomiosina Actina Sarcomero a riposo Sito attivo Fase 1: Esposizione del sito attivo Fase 2: Formazione dei ponti trasversali
Fase 5: Riattivazione della miosina Fase 3: Flessione della testa di miosina Fase 4: Dissociazione dei ponti trasversali
Recettori per l ACh Molecole di acetilcolinesterasi Acetilcolina (ACh) Vescicole sinaptiche Spazio sinaptico Placca motrice Neurone Membrana eccitabile (a) Fibra muscolare Fase 1: Rilascio di Acetilcolina. Le vescicole contenute nel bottone sinaptico si fondono con la membrana neuronale e scaricano il loro contenuto nello spazio sinaptico. Fase 2: Depolarizzazione della placca motrice. Il legame dell ACh ai recettori aumenta la permeabilità della membrana agli ioni sodio. Gli ioni sodio entrano in elevata concentrazione ed il potenziale transmembrana tende a 0 mv. Generazione del potenziale d azione Depolarizzazione Fase 3: Generazione del potenziale d azione. Quando il sarcolemma intorno alla placca motrice si depolarizza intorno a 60 mv, si verifica un improvviso, temporaneo cambiamento nel potenziale transmembrana. Questo fenomeno elettrico è chiamato potenziale d azione Fase 4: Conduzione del potenziale d azione. Il potenziale d azione è immediatamente trasmesso attraverso la superficie del sarcolemma, come le onde prodotte da un sasso lanciato in acqua. Esso interessa tutta la superficie del sarcolemma e viaggia attraverso tutti i tubuli trasversi, provocando il rilascio di ioni calcio da parte delle cisterne terminali. Figura 10.12 - La giunzione neuromuscolare. Le diverse fasi del processo di trasmissione del segnale tra il bottone sinaptico e la placca motrice.
Il potenziale d azione nell assone motorio raggiunge la giunzione neuromuscolare Figura 10.13 - Riassunto degli eventi che si verificano durante l accoppiamento eccitazione-contrazione e la contrazione muscolare. Potenziale d azione nel sarcolemma Depolarizzazione della placca motrice Tubulo a T Potenziale d azione nei tubuli-t Aumento della concentrazione di ioni calcio nel sarcoplasma Rilascio di ioni calcio dal reticolo sarcoplasmatico Esposizione dei siti attivi Riassorbimento di ioni calcio da parte del reticolo sarcoplasmatico Formazione dei legami a ponte LA CONTRAZIO- NE TERMINA Flessione e rilascio di energia Diminuita concentrazione di ioni calcio nel sarcoplasma Legame dell ATP e distacco dei ponti crociati Attivazione della miosina per scissione dell ATP CONTRAZIONE
Sviluppo del picco di tensione Tensione Stimolo Periodo di latenza Fase di riposo Fase di contrazione Fase di rilascio Tempo (millisecondi) Figura 10.14 - La contrazione fasica e lo sviluppo della tensione muscolare. Miogramma che dimostra in dettaglio la durata dei diversi stadi di una contrazione fasica isometrica. Va notata la presenza di un periodo di latenza, che corrisponde al tempo necessario per la conduzione del potenziale d azione e il successivo rilascio di ioni calcio da parte del reticolo sarcoplasmatico.
(c) (b) (d) Tensione (percentuale di quella massima) (a) Ambito delle normali lunghezze dei sarcomeri nel corpo (e) La lunghezza diminuisce Normale lunghezza a riposo La lunghezza aumenta Figura 10.15 - L effetto della lunghezza del sarcomero sulla tensione muscolare. La tensione prodotta dal muscolo dipende dal numero di legami crociati che si possono formare durante la contrazione. Quando i sarcomeri sono troppo corti (a, b), la contrazione non può avere luogo perché i filamenti spessi vengono a contatto con le linee Z. Se i sarcomeri, al contrario, sono troppo allungati, si riduce (d) o scompare del tutto (e) la zona di sovrapposizione tra i filamenti, il che ostacola o rende impossibile la formazione di legami a ponte. La tensione prodotta nell intervallo di lunghezze intermedie è variabile, ed è massima quando la zona di sovrapposizione è ampia, ma senza che i filamenti sottili si estendano attraverso il centro del sarcomero (c).
Tensione Stimolo Tempo (a) Fenomeno della scala Tensione Tempo (b) Sommazione Figura 10.16 - Effetti di stimolazioni ripetute. (a) Il fenomeno della scala si verifica quando stimoli ripetuti raggiungono la fibra muscolare subito dopo la fine della fase di rilasciamento di una contrazione fasica. (b) La sommazione d onda si verifica quando degli stimoli ripetuti arrivano al muscolo durante la fase di rilasciamento. (c) Se la velocità di stimolazione aumenta ulteriormente, la tensione prodotta raggiunge un picco ed i periodi di rilasciamento sono brevissimi. Questa condizione è nota come tetano incompleto. (d) Nel tetano completo la frequenza delle stimolazioni è così elevata che la fase di rilasciamento viene eliminata completamente. La tensione sale e raggiunge i livelli massimi. Tensione Tensione Tempo Tempo (c) Tetano incompleto (d) Tetano completo
Unità motoria 1 (rosso) Figura 10.17 - Sommazione multipla di unità motorie. Le fibre muscolari di diverse unità motorie sono frammiste tra loro, in modo che la distribuzione delle forze applicate al tendine rimane costante anche quando i singoli gruppi muscolari passano attraverso ripetuti cicli di contrazione e rilasciamento.
Il muscolo si contrae Tensione sviluppata Rilasciamento muscolare 15 Kg 15 Kg (a) Tempo Muscolo stimolato (b) Rilasciamento Il muscolo si contrae Tensione sviluppata 30 Kg 30 Kg (c) Muscolo stimolato Tempo (d) Figura 10.18 - Contrazioni isometriche ed isotoniche. (a,b) Un muscolo attaccato ad un peso viene stimolato e sviluppa una forza sufficiente a sollevarlo. La forza rimane costante lungo l intero periodo di contrazione, anche se la lunghezza del muscolo si modifica. Questo è un esempio di contrazione isotonica. (c,d) Se il muscolo è attaccato ad un peso maggiore, alla stimolazione farà seguito il raggiungimento di un picco di forza, senza che il muscolo stesso possa però accorciarsi. Questo è un esempio di contrazione isometrica.
Acido grasso Acido grasso O 2 Mitocondrio Glucosio Creatina Vaso sanguigno Glicogeno Creatina fosfato Figura 10.19 - Il metabolismo muscolare. (a) Un muscolo a riposo scinde gli acidi grassi attraverso la respirazione aerobia, formando ATP. L ATP in eccesso viene utilizzato per ricostituire le riserve energetiche della cellula muscolare, sotto forma di CP e glicogeno. (b) A livelli intermedi di attività, i mitocondri possono comunque, utilizzando gli acidi grassi ed il glucosio derivato dal glicogeno, soddisfare la richiesta energetica necessaria per la contrazione con un meccanismo aerobio. (c) Ai massimi livelli di attività muscolare, la domanda di ATP è elevatissima, ed i mitocondri non possono disporre dell ossigeno sufficiente per soddisfare le richieste della componente contrattile attraverso la respirazione aerobia. A questo punto, la gran parte dell ATP viene fornita dalla glicolisi anaerobia, con formazione di acido lattico. (a) Muscolo a riposo: Gli acidi grassi vengono catabolizzati; l ATP prodotto è utilizzato per la sintesi di riserve di ATP, di CP, e glicogeno. Acidi grassi Glucosio Glicogene Acido pleurico Alle miofibrille per mantenere la contrazione muscolare (b) Attività moderata: Il glucosio e gli acidi grassi vengono metabolizzati; l ATP prodotto viene utilizzato completamente per la contrazione. Glucosio Glicogene Acido piruvico Creatina Acido lattico Alle miofibrille per mantenere la contrazione muscolare (c) Attività massima: La maggior parte dell ATP viene prodotto attraverso la glicolisi anaerobia, con formazione di acido lattico
Glucosio Glicogeno Glucosio Glicogeno Attività massima Recupero Ossigeno Glicolisi anaerobia Gliconeogenesi Acido lattico Glucosio 70% riconvertito in glucosio FEGATO ATP Ossigeno insufficiente Acido piruvico Acido lattico Acido paruvico Acido lattico Ciclo degli acidi tricarbossilici Sistema di trasporto degli elettroni Ciclo degli acidi tricarbossilici 30% catabolizzato per fornire energia Sistema di trasporto degli elettroni Acido lattico Glucosio Muscolo Glucosio Glicogeno (a) (b) (c) Figura 10.20 - Ricircolo dell acido lattico e ciclo di Cori. (a) Durante una attività molto intensa, i muscoli scheletrici utilizzano la glicolisi anaerobia, convertendo il piruvato prodotto dalla scissione del glucosio in acido lattico. (b) Durante il periodo di recupero, quando l ossigeno ritorna facilmente disponibile, l acido lattico è riconvertito a piruvato. Parte del piruvato viene scisso in condizioni aerobie, attraverso il ciclo degli acidi tricarbossilici, mentre la parte restante è riconvertita a glucosio. (c) Nel ciclo di Cori, il compito di riconvertire l acido lattico compete al fegato ed al muscolo stesso. Il fegato assorbe l acido lattico circolante e produce glucosio, che passa poi di nuovo in circolo. Le fibre muscolari sintetizzano glicogeno utilizzando il glucosio così ottenuto.
Figura 10.21 - Fibre rapide e lente. (a) Notate la differenza nelle dimensioni delle fibre muscolari rapide, sopra, e lente, sotto. (MO, x168) (b)le fibre rosse hanno un maggior numero di mitocondri (M) ed una più estesa rete capillare (cap) rispetto alle fibre muscolari bianche (B)(MO, 720). (a) (b)
100% Fatica Percentuale del picco di attività Curva 1 Mantenuta dalle riserve di ATP e CP Mantenuta dalla glicolisi anaerobia Mantenuta dalla respirazione aerobia Curva 2 Soglia anaerobia Tempo Figura 10.22 - Rendimento e resistenza muscolare. La curva 1 indica il rendimento dei muscoli che agiscono ai livelli massimi quando vengono forzati ad utilizzare la glicolisi anaerobia per produrre ATP. La curva 2 descrive il rendimento muscolare nella situazione in cui la domanda di ATP viene mantenuta al di sotto della soglia anaerobia. La fatica muscolare compare dopo 1-2 minuti di massima attività anaerobia, ma la contrazione sostenuta dalla respirazione aerobia può continuare per diverse ore.
Per tutti i sistemi Genera calore che contribuisce a mantenere la temperatura corporea Apparato tegumentario I muscoli scheletrici inseriti sulle ossa della faccia controllano la mimica facciale. Rimuove l eccesso di calore corporeo, sintetizza la vitamina D per l assorbimento di calcio e fosforo; protegge i muscoli Sistema nervoso I fusi neuromuscolari controllano la posizione del corpo; muscoli facciali esprimono emozioni; i muscoli intrinseci della laringe consentono la fonazione. Controlla la contrazione dei muscoli scheletrici; coordina l attività del sistema cardiovascolare e di quello respiratorio durante l attività muscolare. Apparato cardiovascolare Le contrazioni dei muscoli scheletrici favoriscono la circolazione venosa: i muscoli proteggono i vasi superficiali Trasporta ossigeno e sostanze nutritive, rimuove anidride carbonica, acido lattico e calore Apparato respiratorio I muscoli generano anidride carbonica: controllano l orifizio esterno delle vie respiratorie: riempiono e svuotano i polmoni: controllano il flusso d aria attraverso la laringe e la fonazione Apparato urinario Controllo sfinterico della minzione. Rimuove i prodotti di rifiuto del metabolismo proteico, contribuisce alla regolazione delle concentrazioni di calcio e fosfato. Apparato scheletrico Consente i movimenti e agisce da apparato di sostegno; le forze esercitate dai tendini mantengono la massa ossea; stabilizza le articolazioni. Mantiene i normali livelli di calcio e fosforo; sostiene i muscoli scheletrici cui fornisce inserzione Apparato endocrino I muscoli scheletrici danno protezione a diversi organi endo- crini.gli ormoni controllano il metabolismo e la crescita del muscolo: il paratormone e la calcitonina regolano le concentrazioni di ioni calcio e fosforo Sistema linfatico Protegge i linfonodi superficiali ed i vasi linfatici nella cavità addominopelvica Difende i muscoli dalle infezioni, coopera ai processi di riparazione tessutale Apparato digerente Protegge e sostiene i tessuti molli della cavità addominale; controlla gli orifizi di ingresso e di uscita del tratto digerente. Regola i livelli ematici di glucosio ed acidi grassi; rimuove l acido lattico dal circolo. Apparato riproduttivo Contrazioni muscolari consentono l eiaculazione e producono sensazioni piacevoli durante l atto sessuale. Ormoni sessuali accelerano l accrescimento muscolare. Figura 10.23 - Correlazioni funzionali tra l apparato muscolare ed altri sistemi corporei.